CN107523498A - 芯片级三维动态药物检测系统、培养装置及使用方法 - Google Patents

芯片级三维动态药物检测系统、培养装置及使用方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107523498A
CN107523498A CN201710887362.0A CN201710887362A CN107523498A CN 107523498 A CN107523498 A CN 107523498A CN 201710887362 A CN201710887362 A CN 201710887362A CN 107523498 A CN107523498 A CN 107523498A
Authority
CN
China
Prior art keywords
culture
cell
module
cancer cell
annular chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710887362.0A
Other languages
English (en)
Inventor
弥胜利
孙伟
刘兆宇
杜志昌
姚弘毅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Original Assignee
Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Graduate School Tsinghua University filed Critical Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority to CN201710887362.0A priority Critical patent/CN107523498A/zh
Publication of CN107523498A publication Critical patent/CN107523498A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/02—Form or structure of the vessel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/10—Perfusion
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/12—Pulsatile flow
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N5/00—Undifferentiated human, animal or plant cells, e.g. cell lines; Tissues; Cultivation or maintenance thereof; Culture media therefor
    • C12N5/06—Animal cells or tissues; Human cells or tissues
    • C12N5/0602—Vertebrate cells
    • C12N5/0693—Tumour cells; Cancer cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N2501/00—Active agents used in cell culture processes, e.g. differentation
    • C12N2501/998—Proteins not provided for elsewhere
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N2502/00—Coculture with; Conditioned medium produced by
    • C12N2502/28—Vascular endothelial cells

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Oncology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

一种芯片级三维动态药物检测系统、培养装置及使用方法，该培养装置包括梯度浓度生成模块和人工肿瘤侵袭模块，梯度浓度生成模块向人工肿瘤侵袭模块输送培养液，人工肿瘤侵袭模块包括同心设置的癌细胞培养内腔室、正常细胞培养环状腔室和血管内皮层环状腔室，各腔室之间由柱状突起阵列分隔，各柱状突起之间的缝隙能够阻隔细胞外基质的流动而不影响细胞的迁移运动，梯度浓度生成模块送来的培养液沿血管内皮层环状腔室流动，以渗透流的形式向正常细胞和癌细胞提供养分，并将正常细胞和癌细胞产生的废物以渗透流的形式带走。本发明高度仿生地模拟了癌细胞在人体内的生长环境，用于癌细胞迁移能力的研究和抗癌药物的筛选，效果好。

Description

芯片级三维动态药物检测系统、培养装置及使用方法
技术领域
本发明涉及一种芯片级三维动态药物检测系统、培养装置及使用方法。
背景技术
随着社会的发展，生活水平的提高，人类的平均寿命得到了大量的延长，肿瘤又多发于老年人，因而癌症已经日益成为严重困扰人类健康的世界性难题。国际抗癌联盟发布的数据显示全球每年癌症死亡人数高达760万，为满足对人类肿瘤迁移研究和药物检测筛选的需求，使用人源正常细胞与癌细胞共同培养，在体外建立一种灵活、可靠、低成本的肿瘤侵袭模型具有重要意义。
光固化3D打印是将待打印物体以STL格式录入电脑控制单元，并在软件中将所得到的三维模型分割为多个具有唯一横截面形状且厚度相同的多个层，之后3SP激光器通过DMD芯片发射UV光，按照层的横截面形状照射液态光敏树脂，使液态光敏树脂在承载平台上固化为薄层。后一个薄层固化于前一个薄层的下表面，相互累积的薄层最终形成了完整的打印物体。另外，每打印完一个薄层需要承载平台在Z轴方向移动一定的距离，为下一个薄层的固化做准备。
随着微流控技术的发展，基于微流控技术的生物芯片不断涌现。微流控技术是以微加工技术为基础，由微细通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以取代常规生物实验室的各种功能的一种技术。微流控的基本特征和最大优势是多种单元技术在微小平台上的灵活组合和大规模集成。高通量是大规模集成的一种形式。
近年来，国内外在癌细胞和正常细胞共培养方面已经有了一些进展，但应用不同腔室来培养两种细胞观察癌细胞和正常细胞迁移的体外共培养模型，尤其是基于3D打印技术构建模型，尚无广泛研究。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种芯片级三维动态药物检测系统、培养装置及使用方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于芯片级三维动态药物检测系统的培养装置，包括梯度浓度生成模块和人工肿瘤侵袭模块，所述梯度浓度生成模块与所述人工肿瘤侵袭模块通过导管连接，其中所述梯度浓度生成模块用于根据检测需求向所述人工肿瘤侵袭模块输送测试培养液和/或基础培养液，所述人工肿瘤侵袭模块包括由内自外同心设置的癌细胞培养内腔室、正常细胞培养环状腔室和血管内皮层环状腔室，所述癌细胞培养内腔室灌注含癌细胞的细胞外基质，所述正常细胞培养环状腔室灌注含正常细胞的细胞外基质，所述血管内皮层环状腔室灌注血管内皮细胞悬液，各腔室之间由柱状突起阵列分隔，各柱状突起之间的缝隙作为各腔室之间的微通道，能够阻隔细胞外基质的流动而不影响细胞的迁移运动，所述梯度浓度生成模块送来的培养液沿所述血管内皮层环状腔室流动，以渗透流的形式向正常细胞和癌细胞提供养分，并将正常细胞和癌细胞产生的废物以渗透流的形式带走。
进一步地：
所述人工肿瘤侵袭模块包括外框、内部支架和盖板三部分，在所述外框具有内槽，所述内槽中镶嵌所述内部支架，所述盖板盖在所述外框和所述内部支架上方，所述外框设有出入口，所述盖板与所述外框对应位置开有与所述导管连接的通孔，所述外框的表面设置有连接所述内槽的出入流道，所述出入流道与所述外框的出入口相连，所述癌细胞培养内腔室、所述正常细胞培养环状腔室和所述血管内皮层环状腔室设置在所述内部支架的表面，所述血管内皮层环状腔室连接所述出入流道；优选地，所述外框、所述内部支架和所述盖板为立方体形状，所述出入流道设置在所述内槽对角线方向；优选地，所述外框和所述盖板是基于光敏材料DLP光固化或温敏材料低温沉积3D打印的方式构建的，所述内部支架是基于软光刻技术的方式构建的。
所述梯度浓度生成模块包括培养液容器、驱动装置和圣诞树模型，所述培养液容器通过导管连接所述圣诞树模型的入口，所述圣诞树模型的出口通过导管连接所述人工肿瘤侵袭模块，所述驱动装置提供液体流动动力，所述圣诞树模型设置有由入口至出口逐段地分支成更多分支流道的圣诞树型流道，每个最终分支流道的出口分别连接至相应的所述人工肿瘤侵袭模块。
每段分支流道具有长度一致的蛇形流道，优选地，各腔室中竖向边都导出圆角。
所述圣诞树模型有两层结构，自上而下依次是PDMS芯片层和玻璃基片层，两层通过基于氧等离子清洗技术的键合工艺组装成一体，所述圣诞树型流道形成在所述PDMS芯片层朝所述玻璃基片层的那一面上。
包括两个所述培养液容器，所述驱动装置包括两个蠕动泵，两个所述培养液容器分别通过其中一个蠕动泵向所述圣诞树模型的相应入口灌流供给含病毒、毒素或待检测药物的测试培养液，以及无病毒、毒素或待检测药物的基础培养液。
一种使用所述的培养装置的方法，通过单细胞打印机的方式将均匀混有正常细胞的细胞外基质缓慢灌注入所述正常细胞培养环状腔室，依同样方法将混有癌细胞的细胞外基质缓慢灌入癌细胞培养内腔室，之后将血管内皮细胞悬液缓慢灌入血管内皮层环状腔室，最后通过梯度浓度生成模块将培养液注入血管内皮环状腔室，以渗透流的形式对各腔室内的细胞供给养分，并将细胞代谢产物以渗透流的方式带出，实现人工癌细胞与正常细胞的共培养。
采用以下配置中的至少一种，所述正常细胞为人的非致瘤的上皮细胞株MCF-10A；所述癌细胞为取自人乳腺癌细胞株的MDA-MB-231；所述血管内皮细胞为人的脐静脉内皮细胞株HUVEC；所述细胞外基质为凝胶状的鼠尾Ⅰ型胶原蛋白、或纤维蛋白、猪皮Ⅰ型胶原蛋白；所述基础培养液为含10％胎牛血清的DMEM培养液。
一种芯片级三维动态药物检测系统，包括所述的培养装置，以及对所述培养装置的培养物进行检测的所述后期检测模块。
所述后期检测模块包括：在人工肿瘤侵袭模块的出口处集成检测模块，优选地，所述后期检测模块进行功能性代谢产物的表达量检测；并对人工肿瘤侵袭模块中正常细胞与癌细胞的生长形态及存活率进行原位检测。
本发明的有益效果有：
本发明提供一种培养装置及药物检测系统，模拟了正常细胞与癌细胞共培养的人体内环境，可以在此模型下进行抗癌药物的筛选。该系统通过不同梯度浓度抗癌药物作用下，癌细胞和正常细胞的活死分析，形态变化，代谢产物以及癌细胞和正常细胞的迁移等生物检测，进行抗癌药物的筛选，尤其是抗癌细胞迁移的药物的筛选，从而更好的拟制癌细胞的扩散。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供正常细胞和癌细胞的共培养装置，渗透流的设计高度仿生地模拟了癌细胞在人体内的生长环境，用于癌细胞迁移能力的研究和抗癌药物的筛选，效果好。
在操作上，本发明控制简单易行，接种细胞和供给培养液方便，细胞生长和迁移情况在显微镜下实现原位检测，观察方便，可同时对比不同药物浓度下细胞的生长状况。
作为一种细胞灌流培养的方法，本发明可以对腔室中的细胞实现动态培养。当采用动态的供给培养液培养时，本发明的培养装置可以研究不同的培养液供给速度下，癌细胞的迁移能力，进而模拟人体不同部位的癌细胞的迁移情况。
本发明的装置结构设计精巧，制作工艺简单，可以实现批量化制作。
附图说明
图1为本发明一种实施例的三维药物动态检测系统示意图；
图2为图1中梯度浓度生成模块示意图；
图3为图2中圣诞树模型的各层结构示意图；
图4为图3中PDMS层仰视图及溶液混合流道参数；
图5为本发明实施例进行抗癌药物的筛选的人工肿瘤侵袭模块各层结构示意图及装配示意图；
图6为图5中内部支架的结构俯视图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图1至图6，在一种实施例中，一种用于芯片级三维动态药物检测系统的培养装置，包括梯度浓度生成模块1和人工肿瘤侵袭模块2，所述梯度浓度生成模块1与所述人工肿瘤侵袭模块2通过导管连接，可用后期生物检测模块在所述人工肿瘤侵袭模块2上进行检测，其中所述梯度浓度生成模块用于根据检测需求向所述人工肿瘤侵袭模块输送测试培养液和/或基础培养液，所述人工肿瘤侵袭模块包括由内自外同心设置的癌细胞培养内腔室、正常细胞培养环状腔室和血管内皮层环状腔室，所述癌细胞培养内腔室17灌注含癌细胞的细胞外基质，所述正常细胞培养环状腔室18灌注含正常细胞的细胞外基质，所述血管内皮层环状腔室19灌注血管内皮细胞悬液，各腔室之间由柱状突起阵列20分隔，各柱状突起之间的缝隙作为各腔室之间的微通道，能够阻隔细胞外基质的流动而不影响细胞的迁移运动，所述梯度浓度生成模块送来的培养液沿所述血管内皮层环状腔室流动，以渗透流的形式向正常细胞和癌细胞提供养分，并将正常细胞和癌细胞产生的废物以渗透流的形式带走。
在优选的实施例中，所述人工肿瘤侵袭模块包括外框、内部支架和盖板三部分，在所述外框14具有内槽，所述内槽中镶嵌所述内部支架15，所述盖板盖在所述外框14和所述内部支架15上方，所述外框设有出入口，所述盖板16与所述外框14对应位置开有与所述导管连接的通孔，所述外框14的表面设置有连接所述内槽的出入流道，所述出入流道与所述外框的出入口相连，所述癌细胞培养内腔室、所述正常细胞培养环状腔室和所述血管内皮层环状腔室设置在所述内部支架的表面，所述血管内皮层环状腔室连接所述出入流道。
优选地，所述外框、所述内部支架和所述盖板为立方体形状，所述出入流道设置在所述内槽对角线方向。
优选地，所述外框14和所述盖板16是基于光敏材料DLP光固化或温敏材料低温沉积3D打印的方式构建的，所述内部支架15是基于软光刻技术的方式构建的。
优选地，所述出入流道的宽度为100μm，所述出入流道与所述出入口高度(深度)为100μm，所述出入口直径1mm。
优选地，所述癌细胞培养内腔室17直径为800μm，所述正常细胞培养环状腔室18内径为1.0mm，外径为1.8mm，所述血管内皮层环状腔室19内径为2.0mm，外径为2.6mm，所有腔室深度均为100μm。优选地，所述微通道的宽度为100μm，柱状突起宽度150μm。
在优选的实施例中，所述梯度浓度生成模块包括培养液容器、驱动装置和圣诞树模型，所述培养液容器通过导管连接所述圣诞树模型的入口，所述圣诞树模型的出口通过导管连接所述人工肿瘤侵袭模块，所述驱动装置提供液体流动动力，所述圣诞树模型设置有由入口至出口逐段地分支成更多分支流道的圣诞树型流道，每个最终分支流道的出口分别连接至相应的所述人工肿瘤侵袭模块。
在优选的实施例中，每段分支流道具有长度一致的蛇形流道，所述蛇形流道的外层弧直径为300μm，内层弧直径为100μm，宽度×高度为100μm×100μm，优选地，各腔室中所有竖向边都导出半径为50μm的圆角。
在优选的实施例中，所述圣诞树模型8有两层结构，自上而下依次是PDMS芯片层10和玻璃基片层9，两层通过基于氧等离子清洗技术的键合工艺组装成一体，所述圣诞树型流道形成在所述PDMS芯片层朝所述玻璃基片层的那一面上。
在优选的实施例中，该培养装置包括两个所述培养液容器，所述驱动装置包括两个蠕动泵6，两个所述培养液容器分别通过其中一个蠕动泵向所述圣诞树模型8的相应入口灌流供给含病毒、毒素或待检测药物的测试培养液，以及无病毒、毒素或待检测药物的基础培养液。
在另一种实施例中，一种使用所述培养装置的方法，通过单细胞打印机的方式将均匀混有正常细胞的细胞外基质缓慢灌注入所述正常细胞培养环状腔室18，依同样方法将混有癌细胞的细胞外基质缓慢灌入癌细胞培养内腔室17，之后将血管内皮细胞悬液缓慢灌入血管内皮层环状腔室19，最后通过梯度浓度生成模块1将培养液注入血管内皮环状腔室，以渗透流的形式对各腔室内的细胞供给养分，并将细胞代谢产物以渗透流的方式带出，实现人工癌细胞与正常细胞的共培养。
在优选的实施例中，采用以下配置中的至少一种，所述正常细胞为人的非致瘤的上皮细胞株MCF-10A；所述癌细胞为取自人乳腺癌细胞株的MDA-MB-231；所述血管内皮细胞为人的脐静脉内皮细胞株HUVEC；所述细胞外基质为凝胶状的鼠尾Ⅰ型胶原蛋白、或纤维蛋白、猪皮Ⅰ型胶原蛋白；所述基础培养液为含10％胎牛血清的DMEM培养液。
如图1至图6所示，在另一种实施例中，一种芯片级三维动态药物检测系统，包括前述任一实施例的培养装置，以及对所述培养装置的培养物进行检测的所述后期检测模块(图未示出)。
在优选的实施例中，所述后期检测模块包括：在人工肿瘤侵袭模块2的出口处集成检测模块，优选地，所述后期检测模块进行功能性代谢产物的表达量检测；并对人工肿瘤侵袭模块2中正常细胞与癌细胞的生长形态及存活率进行原位检测。
以下结合附图进一步详细描述本发明具体实施例及其应用。
如图1所示，三维药物动态监测系统为三模块协同作用系统，自前而后依次是梯度浓度生成模块1、人工肿瘤侵袭模块2以及后期生物检测模块。多个人工肿瘤侵袭模块2接于浓度梯度生成模块的出口，后期生物检测模块直接针对人工肿瘤侵袭模块2原位检查，即可实现该模型在病理研究和药物检测等方面的具体应用。
如图2所示，所述梯度浓度生成模块1包括两个广口瓶3,4、两个硅胶连接导管5、两个蠕动泵6、两个中空钢管7和圣诞树模型8，广口瓶3,4与圣诞树模型8通过硅胶连接导管5相互连接，在优选的实施例中，广口瓶3内装有含0.5μg/ml的紫杉醇(Paclitaxel)的基础培养液，基础培养液优选的为含10％胎牛血清的DMEM培养液。广口瓶4内装有不含药物的同类基础培养液。硅胶连接导管5外径2mm，内径1mm，中空钢管7外径1mm，内径0.9mm，可以固定圣诞树模型8与硅胶连接导管5的连接处。蠕动泵6夹持在硅胶连接导管5上。实验过程中，通过启动蠕动泵6，会将广口瓶3,4内液体抽出，沿硅胶连接导管5流入圣诞树模型8。
圣诞树模型8的加工组装可通过以下步骤来实现：
如图3所示，首先，玻璃基片层9选用常用的光学玻璃，尺寸是16mm×16mm×1mm长×宽×高，在芯片组装前，必须对玻璃片进行充分的清洗，然后烘干使用。
其次，PDMS芯片层10的加工是采用常用的软光刻加工方法，该层结构先是用SU-8光刻胶在硅片上用光刻机制作出设计好的图案；然后用PDMS硅橡胶(如现有的道康宁Sylgard DC184产品)，将其主剂和固化剂以10:1的比例配制成浇铸液，浇铸在硅片模版上，将附有浇铸液的硅片模板放在80℃烤箱中烘烤40min左右取出，将已固化的浇铸液取下，即可制得带有微通道的PDMS芯片层10。最终加工出来的PDMS芯片层10的尺寸是12mm×12mm×1mm。最后通过基于氧等离子清晰技术的键合工艺来完成PDMS芯片层10与玻璃基片层9的组装。
如图4所示，溶液混合流道13宽度×高度是100μm×100μm，所述溶液混合流道13为蛇形，该蛇形流道部分，外层弧直径为300μm，内层弧直径为100μm，所述溶液混合流道13每一段长度一致。优选地，各腔室中所有竖向边都导出半径为50μm的圆角，以避免形成湍流和气泡。各流道周围制作出贯通的两个进液口11、五个出液口12。进液口11和出液口12的直径为1mm。
人工肿瘤侵袭模块2包括外框14、内部支架15和盖板16，在所述外框14中镶嵌内部支架15，在外框14和内部支架15上方加有盖板16。所述外框14和盖板16通过光固化3D打印的方式构建，所述内部支架15同样采用软光刻加工方法，与前述PDMS芯片层10的构建相似，不再赘述。
优选实施例中，所述外框14的长×宽×高为5.4mm×5.4mm×1.3mm，外框14内槽的长×宽×高为4.0mm×4.0mm×1.0mm，所述外框14内槽对角线方向接有出入流道，流道宽度100μm，出入流道与出入口相连，出入口直径1mm，流道与出入口高度为100μm。
所述内部支架15的长×宽为4.0mm×4.0mm×1.0mm，所述内部支架15同心圆阵列自内至外排布癌细胞培养内腔室17、正常细胞培养环状腔室18和血管内皮层环状腔室19，所述癌细胞培养内腔室17直径为800μm，所述正常细胞培养环状腔室18内径为1.0mm，外径为1.8mm，所述血管内皮层环状腔室19内径为2.0mm，外径为2.6mm，任两层细胞腔室间都设置有柱状突起阵列20，所有腔室深度度均为100μm，所述癌细胞培养内腔室17灌注含癌细胞的细胞外基质，所述正常细胞培养环状腔室18灌注含正常细胞的细胞外基质，所述血管内皮层环状腔室19灌注血管内皮细胞悬液。所述柱状突起阵列20间的缝隙可以起到各腔室之间微通道21的作用，所述柱状突起宽度150μm，所述微通道宽度100μm，微通道21能够阻隔细胞外基质的流动而不影响细胞的迁移运动，培养液从流道流来之后，沿血管内皮层环状腔室19流动，以渗透流的形式向正常细胞和癌细胞提供养分，并将正常细胞和癌细胞产生的废物以渗透流的形式带走。
所述盖板16的长×宽×高为5.4mm×5.4mm×1.0mm，盖板16与外框14对应位置开有通孔，通孔直径1.0mm。
人工肿瘤侵袭模块2的细胞接种具体实现步骤如下：
人工肿瘤侵袭模块2的前处理操作：先将外框14，内部支架15，盖板16均置于浓度为75％的乙醇中进行初步消毒；然后将三者置于紫外线下照射1h，杀菌处理；再将外框14，内部支架15，盖板16组装好，之后用PBS缓冲液磷酸缓冲液，PH值为7.4通入人工肿瘤侵袭模块2，清洗3遍，去除酒精消毒时的残留酒精；将浓度是0.1mg/ml的多聚氖氨酸注入人工肿瘤侵袭模块2中的癌细胞培养内腔室17、正常细胞培养环状腔室18、血管内皮层环状腔室19和微流道，在细胞培养箱中放置24h，增强细胞的贴壁能力；最后，再用PBS缓冲液通入人工肿瘤侵袭模块2中的的各腔室和微流道，清洗3遍，去除多余的多聚氖氨酸。
癌细胞和正常细胞的接种及培养：培养上皮细胞株MCF-10A和人乳腺癌细胞株的MDA-MB-231，将培养的原代MCF-10A细胞和人乳腺癌细胞MDA-MB-231以胰酶消化，制成细胞悬浮液，均利用流式细胞仪计数后稀释至2×106个/ml，分别用注射器吸取细胞悬浮液，与细胞外基质均匀混合，之后打开盖板16，将混合物通过单细胞打印机分别垂直注入其对应腔室，直至有悬浮液从腔室冒出时停止灌注，静置40min待其凝胶，将培养液中的血管内皮层细胞HUVEC细胞悬液通过单细胞打印机滴入血管内皮层环状腔室19，培养1-2天，可以在正常细胞环状腔室外层形成血管内皮层。之后开启浓度梯度生成模块的蠕动泵6，待该模块液体流动稳定后，将浓度梯度模块与人工肿瘤侵袭模块2之间用五个硅胶连接软管进行连接，将梯度浓度的药物分别依次灌入人工肿瘤侵袭模型，并在人工肿瘤侵袭模型出口收集含有代谢产物的流出液，再待稳定后将芯片放入细胞培养箱中培养，带有药物的培养液紫杉醇(Paclitaxel在人工肿瘤侵袭模块2中传递和扩散，并产生相应的反应。
优选的人乳腺癌细胞MDA-MB-231、人正常乳腺上皮细胞HCF-10A和血管内皮细胞HUVEC购自中国科学院上海细胞库，接种于含10％胎牛血清的DMEM培养液中，于37℃、5％CO2、饱和湿度条件下传代培养。传代时，用PBS漂洗细胞后换0.1％的胰酶消化细胞，再用完全培养液从瓶壁上洗脱细胞。取对数生长期的细胞用于实验。优选的细胞外基质为凝胶状的鼠尾Ⅰ型胶原蛋白。基础培养液还可以是DMEM+RPMⅠ各50％的组合，细胞外基质还可以是纤维蛋白、猪皮I型胶原蛋白等多种胶原蛋白。
所述后期检测模块包括：在人工肿瘤侵袭模块2腔室的出口处集成检测模块，检测内容优选的包括功能性代谢产物的表达量检测；并对人工肿瘤侵袭模块2中正常细胞与癌细胞的生长形态及存活率进行原位观测，观测时打开盖。功能代谢产物包括与乳腺癌发生发展关系密切的ER(estrogen receptor，雌激素受体)，PR(prosgesterone receptor，孕激素受体)，和在乳腺癌诊断中有一定意义的VEGF血管内皮细胞生长因子。对癌细胞迁移及正常细胞与癌细胞对紫杉醇(Paclitaxel)应答的检测每次时间间隔为8小时，在显微镜下观察癌细胞和正常细胞的形态及生殖状态、癌细胞的迁移状况和抗癌药物应答情况，拍照对比。
本芯片级三维动态药物检测系统可直接放到二氧化碳培养箱中进行培养，从而保证稳定无菌的细胞生长环境。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于芯片级三维动态药物检测系统的培养装置，其特征在于，包括梯度浓度生成模块和人工肿瘤侵袭模块，所述梯度浓度生成模块(1)与所述人工肿瘤侵袭模块(2)通过导管连接，其中所述梯度浓度生成模块用于根据检测需求向所述人工肿瘤侵袭模块输送测试培养液和/或基础培养液，所述人工肿瘤侵袭模块包括由内自外同心设置的癌细胞培养内腔室、正常细胞培养环状腔室和血管内皮层环状腔室，所述癌细胞培养内腔室(17)灌注含癌细胞的细胞外基质，所述正常细胞培养环状腔室(18)灌注含正常细胞的细胞外基质，所述血管内皮层环状腔室(19)灌注血管内皮细胞悬液，各腔室之间由柱状突起阵列(20)分隔，各柱状突起之间的缝隙作为各腔室之间的微通道，能够阻隔细胞外基质的流动而不影响细胞的迁移运动，所述梯度浓度生成模块送来的培养液沿所述血管内皮层环状腔室流动，以渗透流的形式向正常细胞和癌细胞提供养分，并将正常细胞和癌细胞产生的废物以渗透流的形式带走。
2.如权利要求1所述的培养装置，其特征在于，所述人工肿瘤侵袭模块包括外框、内部支架和盖板三部分，在所述外框(14)具有内槽，所述内槽中镶嵌所述内部支架(15)，所述盖板盖在所述外框(14)和所述内部支架(15)上方，所述外框设有出入口，所述盖板(16)与所述外框(14)对应位置开有与所述导管连接的通孔，所述外框(14)的表面设置有连接所述内槽的出入流道，所述出入流道与所述外框的出入口相连，所述癌细胞培养内腔室、所述正常细胞培养环状腔室和所述血管内皮层环状腔室设置在所述内部支架的表面，所述血管内皮层环状腔室连接所述出入流道；优选地，所述外框、所述内部支架和所述盖板为立方体形状，所述出入流道设置在所述内槽对角线方向；优选地，所述外框(14)和所述盖板(16)是基于光敏材料DLP光固化或温敏材料低温沉积3D打印的方式构建的，所述内部支架(15)是基于软光刻技术的方式构建的。
3.如权利要求1所述的培养装置，其特征在于，所述梯度浓度生成模块包括培养液容器、驱动装置和圣诞树模型，所述培养液容器通过导管连接所述圣诞树模型的入口，所述圣诞树模型的出口通过导管连接所述人工肿瘤侵袭模块，所述驱动装置提供液体流动动力，所述圣诞树模型设置有由入口至出口逐段地分支成更多分支流道的圣诞树型流道，每个最终分支流道的出口分别连接至相应的所述人工肿瘤侵袭模块。
4.如权利要求3所述的培养装置，其特征在于，每段分支流道具有长度一致的蛇形流道。
5.如权利要求3所述的培养装置，其特征在于，所述圣诞树模型(8)有两层结构，自上而下依次是PDMS芯片层(10)和玻璃基片层(9)，两层通过基于氧等离子清洗技术的键合工艺组装成一体，所述圣诞树型流道形成在所述PDMS芯片层朝所述玻璃基片层的那一面上。
6.如权利要求3所述的培养装置，其特征在于，包括两个所述培养液容器，所述驱动装置包括两个蠕动泵(6)，两个所述培养液容器分别通过其中一个蠕动泵向所述圣诞树模型(8)的相应入口灌流供给含病毒、毒素或待检测药物的测试培养液，以及无病毒、毒素或待检测药物的基础培养液。
7.一种使用如权利要求1至6一项所述的培养装置的方法，其特征在于，通过单细胞打印机的方式将均匀混有正常细胞的细胞外基质缓慢灌注入所述正常细胞培养环状腔室(18)，依同样方法将混有癌细胞的细胞外基质缓慢灌入癌细胞培养内腔室(17)，之后将血管内皮细胞悬液缓慢灌入血管内皮层环状腔室(19)，最后通过梯度浓度生成模块(1)将培养液注入血管内皮环状腔室，以渗透流的形式对各腔室内的细胞供给养分，并将细胞代谢产物以渗透流的方式带出，实现人工癌细胞与正常细胞的共培养。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，采用以下配置中的至少一种，所述正常细胞为人的非致瘤的上皮细胞株MCF-10A；所述癌细胞为取自人乳腺癌细胞株的MDA-MB-231；所述血管内皮细胞为人的脐静脉内皮细胞株HUVEC；所述细胞外基质为凝胶状的鼠尾Ⅰ型胶原蛋白、或纤维蛋白、猪皮Ⅰ型胶原蛋白；所述基础培养液为含10％胎牛血清的DMEM培养液。
9.一种芯片级三维动态药物检测系统，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的培养装置，以及对所述培养装置的培养物进行检测的所述后期检测模块。
10.如权利要求9所述的芯片级三维动态药物检测系统，其特征在于，所述后期检测模块包括：在人工肿瘤侵袭模块(2)的出口处集成检测模块，优选地，所述后期检测模块进行功能性代谢产物的表达量检测；并对人工肿瘤侵袭模块(2)中正常细胞与癌细胞的生长形态及存活率进行原位检测。
CN201710887362.0A 2017-09-27 2017-09-27 芯片级三维动态药物检测系统、培养装置及使用方法 Pending CN107523498A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710887362.0A CN107523498A (zh) 2017-09-27 2017-09-27 芯片级三维动态药物检测系统、培养装置及使用方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710887362.0A CN107523498A (zh) 2017-09-27 2017-09-27 芯片级三维动态药物检测系统、培养装置及使用方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107523498A true CN107523498A (zh) 2017-12-29

Family

ID=60736265

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710887362.0A Pending CN107523498A (zh) 2017-09-27 2017-09-27 芯片级三维动态药物检测系统、培养装置及使用方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107523498A (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109077829A (zh) * 2018-07-04 2018-12-25 山东省科学院能源研究所 一种激光雕刻法制备的人造血管支撑模具
CN110106081A (zh) * 2019-05-13 2019-08-09 大连医科大学附属第一医院 用于构建脑功能单元模型的微流控芯片及构建方法
CN110331096A (zh) * 2019-07-19 2019-10-15 东北大学 模拟肿瘤微环境的微流控芯片及肿瘤微环境的构建方法
CN110586210A (zh) * 2019-09-11 2019-12-20 河海大学常州校区 一种用于凝胶3d细胞培养的浓度梯度发生装置、制备及应用方法
CN110609127A (zh) * 2019-10-09 2019-12-24 杭州浅海科技有限责任公司 一种海洋检测仪器用模块化液路
CN112410220A (zh) * 2020-12-07 2021-02-26 桂林医学院 仿肝板结构肝细胞三维培养装置
CN112912487A (zh) * 2018-11-02 2021-06-04 达姆施塔特技术大学 用于培育三维细胞结构的流体装置、流体系统和方法
CN112986546A (zh) * 2021-03-02 2021-06-18 北京大学 一种用于监测三维基质中群体细胞侵袭的阻抗传感方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101165161A (zh) * 2007-07-27 2008-04-23 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种微流体浓度梯度细胞培养芯片及其制备方法和应用
CN102399693A (zh) * 2011-10-25 2012-04-04 广东工业大学 一种仿真三维细胞培养器及培养方法
WO2014085498A1 (en) * 2012-11-27 2014-06-05 Cfd Research Corporation Multi-chambered cell culture device to model organ microphysiology
CN105080627A (zh) * 2015-08-25 2015-11-25 辽宁中医药大学 一种用于药物筛选的集成化微流控芯片及其应用方法
WO2017019542A1 (en) * 2015-07-24 2017-02-02 President And Fellows Of Harvard College Radial microfluidic devices and methods of use
CN106544271A (zh) * 2016-12-07 2017-03-29 清华大学深圳研究生院 一种研究肿瘤侵袭血管的多细胞3d共培养装置和方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101165161A (zh) * 2007-07-27 2008-04-23 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种微流体浓度梯度细胞培养芯片及其制备方法和应用
CN102399693A (zh) * 2011-10-25 2012-04-04 广东工业大学 一种仿真三维细胞培养器及培养方法
WO2014085498A1 (en) * 2012-11-27 2014-06-05 Cfd Research Corporation Multi-chambered cell culture device to model organ microphysiology
WO2017019542A1 (en) * 2015-07-24 2017-02-02 President And Fellows Of Harvard College Radial microfluidic devices and methods of use
CN105080627A (zh) * 2015-08-25 2015-11-25 辽宁中医药大学 一种用于药物筛选的集成化微流控芯片及其应用方法
CN106544271A (zh) * 2016-12-07 2017-03-29 清华大学深圳研究生院 一种研究肿瘤侵袭血管的多细胞3d共培养装置和方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BERSINI S, MORETTI M.: "3D functional and perfusable microvascular networks for organotypic microfluidic models.", 《J MATER SCI MATER MED.》 *
JARVIS M, ET AL.: "Microfluidic co-culture devices to assess penetration of nanoparticles into cancer cell mass.", 《BIOENG TRANSL MED.》 *
刘和波 等: "新型浓度梯度微流控芯片的设计及药物诱导内皮细胞凋亡应用", 《基因组学与应用生物学》 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109077829A (zh) * 2018-07-04 2018-12-25 山东省科学院能源研究所 一种激光雕刻法制备的人造血管支撑模具
CN112912487A (zh) * 2018-11-02 2021-06-04 达姆施塔特技术大学 用于培育三维细胞结构的流体装置、流体系统和方法
CN110106081A (zh) * 2019-05-13 2019-08-09 大连医科大学附属第一医院 用于构建脑功能单元模型的微流控芯片及构建方法
CN110331096A (zh) * 2019-07-19 2019-10-15 东北大学 模拟肿瘤微环境的微流控芯片及肿瘤微环境的构建方法
CN110586210A (zh) * 2019-09-11 2019-12-20 河海大学常州校区 一种用于凝胶3d细胞培养的浓度梯度发生装置、制备及应用方法
CN110586210B (zh) * 2019-09-11 2021-10-08 河海大学常州校区 一种用于凝胶3d细胞培养的浓度梯度发生装置、制备及应用方法
CN110609127A (zh) * 2019-10-09 2019-12-24 杭州浅海科技有限责任公司 一种海洋检测仪器用模块化液路
CN112410220A (zh) * 2020-12-07 2021-02-26 桂林医学院 仿肝板结构肝细胞三维培养装置
CN112410220B (zh) * 2020-12-07 2022-10-18 桂林医学院 仿肝板结构肝细胞三维培养装置
CN112986546A (zh) * 2021-03-02 2021-06-18 北京大学 一种用于监测三维基质中群体细胞侵袭的阻抗传感方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107523498A (zh) 芯片级三维动态药物检测系统、培养装置及使用方法
CN106139251B (zh) 一种三维组织结构体的制备方法及其应用
CN101629143B (zh) 用于高通量药物筛选的微流控细胞阵列芯片、方法及应用
CN103476920B (zh) 处理细胞和相关结构的设备及方法
CN103981096B (zh) 一种两层细胞培养体系器官芯片及其制备方法
Fang et al. Gradient-sized control of tumor spheroids on a single chip
CN106581761A (zh) 一种人工肝脏组织及其制作方法
CN102666834A (zh) 用于细胞培养的微尺度多流体流生物反应器
CN105176816A (zh) 一种基于细胞聚集体的微脉管肝脏芯片及其制备和使用方法
CN106544271A (zh) 一种研究肿瘤侵袭血管的多细胞3d共培养装置和方法
CN110551681B (zh) 模拟胚胎着床血管生成的微流控芯片及其制备方法和用途
CN104830683A (zh) 一种用于模拟体内肿瘤细胞及其转移微环境的仿生微流控芯片
CN108277198A (zh) 一种实现二维、三维交叉共培养的肝脏微流控芯片及其应用
CN104164360B (zh) 集成微流控芯片及其用于三维肿瘤定位、构建、回收方法
CN109234163A (zh) 一种高通量肿瘤靶向药物浓度筛选微流控器件
CN105331535B (zh) 用于重建骨细胞微环境的微流控芯片及其使用方法
CN104316661A (zh) 用于生物毒性检测的肺组织模型及生物毒性检测方法
CN107475115B (zh) 细胞联合培养的培养芯片及药物筛选装置
CN110157673A (zh) 一种肿瘤细胞三维模型及其构建方法和应用
Jiang et al. Microfluidic-based biomimetic models for life science research
CN116445285A (zh) 一种类器官共培养芯片、构建方法及共培养方法
CN109554278A (zh) 一种器官芯片及基于器官芯片技术的纳米颗粒肺表面活性剂层相互作用评价方法
CN106929417A (zh) 一种基于叶脉网眼结构仿生的多层细胞培养微器件
CN108504571A (zh) 一种人工肝小叶功能单元的构建装置及构建方法
CN107629997A (zh) 体外泡沫细胞形成模型及其在动脉粥样硬化研究中的应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20171229

RJ01 Rejection of invention patent application after publication